이동통신

이동통신(mobile communication)은 고정된 위치가 아닌 장소에서 사용자가 단말기를 통해 음성이나 영상, 데이터 등을 장소에 구애받지 않고 무선으로 통신할 수 있도록 이동성이 부여된 통신 체계를 말한다.

개요

이동통신은 무선통신 기술을 사용하므로 일부 범주에 포함되기는 하지만, 사용자의 이동성이 보장되어야 하므로 무선을 이용한 통신이 반드시 이동통신이 되는 것은 아니다. 이동통신에도 많은 종류가 존재한다. 보통 휴대전화라고 불리는 서비스인 셀룰러 이동통신을 비롯하여 주파수 공용 통신(TRS: Trunked Radio System), 위성 이동통신 등이 있으나 주파수 공용 통신이나 위성 이동통신 등은 사용 대상이 매우 제한되어 있다.

역사

무선을 이용한 통신이 시작된 것은 1990년대 초부터였지만 무선을 이용한 전화가 등장한 것은 1921년으로, 미국 디트로이트 경찰의 차량 이동전화 서비스가 시작되면서부터였다. 일반인을 대상으로 한 최초의 이동전화 서비스는 1946년 미국 세인트루이스에서 3개의 채널을 이용한 수동교환방식의 서비스였다. 사용자가 직접 다이얼을 돌려 상대방과 접속하여 양방향 통화가 가능한 서비스는 1964년이 되어서야 제공되기 시작했다. 1975년에 미국 모토로라 사의 마틴 쿠퍼(Martin Cooper)를 비롯한 연구진들은 셀룰러 개념을 이용한 이동통신 방법을 개발하고 미국 특허등록을 하였다. 이후 시카고와 워싱턴 D.C.에서 셀룰러 이동전화 서비스가 시험 운용되었다. 1979년 일본에서 최초로 상용화 되었고 1983년에는 미국에서도 상용 서비스가 시작되었다. 국내에서는 1984년에 AMPS 방식의 상용 서비스가 시작되었다. 이 아날로그 방식의 셀룰러 이동통신을 1세대 이동통신이라 부른다. 1세대 이동통신을 1G 라고도 하며, 음성을 전송하기 위해 사용하는 주파수변조 방식이 아날로그이기 때문에 음성통화만 가능하다. 아날로그 방식은 통화에 혼선이 생기고 주파수도 효율적으로 관리하지 못한다는 단점이 있다. 이후 1990년대에는 디지털 이동전화 방식들이 등장하게 되었다. 2세대 이동통신 기술은 우리나라와 미국의 코드 분할 다중 접속(Code Division Multiple Access, CDMA), 유럽의 GSM(Global System for Mobile communication) 그리고 일본의 PDC(Personal Digital Cellular) 등의 기술을 활용한 것이다. CDMA 방식의 이동통신은 미국의 퀄콤 사와 국내의 전자통신연구소가 공동 개발하여 1996년 세계에서 최초로 국내에서 상용 서비스를 제공하였다. 흔히 2G 라고도 하며, 음성통화 외에 문자메시지, e메일 등의 데이터 전송이 가능해진 것이 가장 큰 특징이다. 2세대를 계기로 국내 이동전화 시장이 비약적으로 성장하고 휴대폰 산업도 글로벌 경쟁력을 갖추게 된다. 3세대 이동통신 기술은 1990년대 말부터 2GHz 대역에서 2Mbps의 전송속도로 멀티미디어 서비스를 지향하는 IMT-2000이라는 기준이다. 이를 만족시키는 기술표준인 W-CDMA와 CDMA2000은 2000년대 들어서면서 상용화되었다. 3G 라고도 하는 3세대 이동통신부터는 무선인터넷을 통해 주문형비디오, 양방향 통신, MP3등을 다운로드 받을 수 있게 됐다. 이동 통신사들이 설치한 기지국으로 부터 데이터를 받아 오는 방식으로 기지국이 촘촘해져 이동중일 경우에도 편리해졌다. 2011년 7월 도입된 LTE(long term evolution)를 4세대 이동통신 기술에 포함시키지만, 엄밀히 구분하면 LTE는 W-CDMA와 CDMA2000으로 대별되는 3세대 이동통신과 4세대 이동통신의 중간에 해당하는 기술이라 하여 3.9세대 이동통신으로 본다. 2012년 1월 국제전기통신연합(ITU)은 LTE를 보다 진화시킨 LTE-advanced와 WiBro-advanced를 4세대 이동통신의 국제표준으로 채택하였다. 4세대 이동통신은 정지중 1Gbps, 이동중 100Mbps의 속도를 내는 이동통신 서비스이다. 이론적으로 1.4GB 분량의 영화 한편을 휴대폰으로 11초 정도에 받을 수 있는 속도이다. 4차 산업 혁명의 기반이 될 필수적인 기술이라고 할 수 있는 5세대 이동통신은 현재 상용화 되어있는 4세대 이동통신의 속도보다 약 20배 정도 빠른 속도로 100만 개의 기기를 동시에 연결할 수 있는 초연결을 통해 4차 산업 혁명의 핵심 기술인 가상현실(VR), 자율주행, 사물인터넷(IoT), 빅데이터 등 첨단기술과 결합되어 원격의료나 무인 택배 배송, 스마트 시티와 같이 다양한 분야에서 사회 전반적인 변화를 안겨줄 전망이다.

주요 이동통신 기술

셀룰러 기술

이동통신 기술은 가입자가 자유롭게 이동하면서 통신을 할 수 있도록 하는 것이다. 이를 위해서는 통신을 하려는 두 지점을 물리적으로 연결할 필요가 없는 전자파를 사용해야 한다. 단방향 통신은 보내고자 하는 정보를 일방적으로 전송하여 가입자가 수신용 단말기만 있으면 수신이 가능해 가입자수에 제한이 없지만, 양방향 통신은 단방향 통신보다 훨씬 복잡하고 한 지역에서 통신을 할 수 있는 가입자 수가 여러가지 요인에 의해서 제약을 받는다. 양방향 통신에서 가장 중요한 것은 상호 독립성이다. 통신하고 있는 당사자 외에 다른 사람이 동일한 통화 내용을 수신할 수 없어야 한다. 요구 조건을 만족시키기 위해서 통화 채널이라는 개념을 이용해 각각의 가입자는 서로 다른 채널을 할당 받는다. 하지만 전자파의 특성상 채널수가 제한된다. 서비스 지역의 제한과 가입자 수용용량의 한계를 극복하기 위해서 제안된 개념이 셀룰러라는 것이다. 셀룰러란 서비스 지역을 여러 개의 작은 구역 셀로 나누어서 서로 충분히 멀리 떨어진 두 셀에서 동일한 주파수 대역을 사용하므로서 공간적으로 주파수를 재사용해 공간적으로 분포하는 채널수를 증가시켜 충분한 가입자 수용용량을 확보할 수 있도록 하는 이동통신 방식이다. 셀룰러에서 서비스 지역을 작은 셀로 나누고 셀 경계를 정하기 위해서 셀모양을 정의해야 하는데, 실제 서비스 지역이 완전한 평면이라면 셀모양은 원형에 가깝다. 따라서 평면적으로 배치할 있는 다각형 형태를 사용하는데, 삼각형과 사각형 그리고 육각형모델이 있지만, 육각형 형태의 셀이 중첩되는 영역이 가장 적으므로, 가장 경제적인 셀배치를 할 수 있다.

핸드오버

사용자가 통신에 사용하는 채널을 변경하는 작업을 핸드오버(hand over)라고 한다. 사용자가 하나의 셀 영역을 떠나 인접 셀로 진입하면 통신하는 기지국이 변경되어야 하기 때문에 핸드오버가 필요해지게 된다. 원래 연결되어 있던 기지국의 연결을 끊고 새로운 기지국과 새 연결을 만들어야 하는데, 이 과정에서 통화가 단절되어서는 안된다. 같은 셀 내라고 해도 섹터가 변경되면 채널이 변경되어야할 때, 현재 사용하는 채널의 불량 등으로 통화가 어려울 때 핸드오버가 발생하기도 한다. 기술적으로 본다면 현재 사용하고 있는 채널의 신호 감도 등이 기준에 미달될 때 신호 감도가 좋은 새로운 채널로 전환하게 되는 것이다. 핸드오버의 종류에는 하드(hard) 핸드오버, 소프트(soft) 핸드오버가 있다.

• 하드 핸드오버 : 하드 핸드오버는 일단 기존 셀과의 연결을 해지하고 난 후 새로운 셀과 연결하는 방법이다. 주파수 분할 다중 접속(FDMA)이나 시분할 다중 접속(TDMA) 방식을 사용하는 시스템에서 주로 사용하고 있는데, 이 방법은 네트워크에게는 가장 부담이 적은 핸드오버 방식이지만 핸드오버 시 순간의 통화 단절이 느껴질 수도 있다. 하지만 만약 채널을 할당해 줄 수 있는 자원이 부족하다면 통화가 바로 단절될 수도 있다.
• 소프트 핸드오버

소프트 핸드오버는 하나의 셀 내에서 섹터가 바뀔 때 발생하는 핸드오버로 섹터의 변경이 하나의 셀 내에서 발생하는 것이므로 잠시 동안 두 섹터를 모두 이용하여 통신을 하다가 인접 섹터로의 변경을 완료하게 된다.

다이버시티

셀룰러 시스템은 대개 사용자가 밀집된 도시지역에서 사용된다. 도시는 고층 빌딩이 밀집된 지역이 많아 이들이 이동 단말기와 기지국 사이를 가리기도 하고 이들에게 반사되어 수신되는 전파에 의해 다중 경로에 의한 위상차가 발생하기도 한다. 이로 인해 수신 신호의 불규칙한 감쇄가 일어나는데, 이를 페이딩(fading)이라고 부른다. 이러한 페이딩을 다이버시티 기술을 통해 해결하고 있다.

• 주파수 다이버시티

서로 다른 두 주파수의 페이딩 상태가 다르게 되는 것을 이용한 것으로, 주파수에 따라서 전리층과 같은 반사물질에서 반사되어 수신기에 도달하는 시간이나 반사되는 위치의 차이가 있으므로 두 개의 주파수로 동일 신호를 전송하여 수신기에서 합성시키는 방법이다.서로 다른 두 주파수의 경우 심한 페이딩의 상태가 동시에는 일어나지 않는 점을 이용한 것으로 두 개의 수신 전력을 적당하게 합성하거나 선택할 수 있다면 전송 내용이 손상되지 않고 페이딩을 개선할 수 있다. 이동체 등과 같이 공간이 좁은 곳에서도 사용이 가능하다는 장점과, 2개 이상의 주파수가 필요하다는 단점이 있다.

• 공간 다이버시티

동일 전파를 서로 충분히 떨어진 두 지점에서 수신하면 공간파는 산악, 건물 등의 반사체에서 반사되어 도달하는 통로의 차이에 의해 서로 간섭을 일으켜서 페이딩이 발생하는데, 수신 위치를 달리하면 수신 전계강도의 페이딩 상태가 다르므로 두 개의 수신 출력을 적당히 합성하거나 선택하여 페이딩의 영향을 경감할 수 있으나, 단파통신에서는 수신안테나의 위치가 서로 어느 정도 이상 떨어져야 하므로 설치장소 측면에서 불리하다.

• 편파 다이버시티

전파의 수직편파와 수평편파에 따라 페이딩을 받는 방식이 다르므로 수평편파용과 수직편파용의 두 개의 안테나를 설치하여 그 출력을 합성함으로써 페이딩을 방지하도록 한 방법이다. 단파 전파는 전리층에서 반사할 때 지구 자계의 영향으로 패러데이 회전을 일으켜 타원 편파가 되며, 마이크로파 대에서는 빗방울을 통과하면서 편파면이 회전하게 된다. 마이크로파 대에서는 빗방울을 통과하면서 편파면이 회전하게 되고, 이동통신에서는 지형, 건물 등에서 산란되면서 편파면이 흐트러지게 된다. 도시내에서는 공간 다이버시티에 가까운 효과를 기대할 수 있으나 교외에서는 효과가 적다.

• 각도 다이버시티

다른 지향성의 안테나를 사용하여 출력에서 선택하거나 합성한다. 다중파를 수신할 때 지향성의 영향으로 각 수신파의 진폭/위상이 안테나 간에 차이가 있고, 안테나의 수를 여러 개 로 하고 각각의 지향성을 예민하게 함으로써 도래파의 수나 지연 분산을 제한하는 것으로서 특히 고속 디지털 전송일 때 다른 방식에 비하여 다중 지연에 의한 오율을 개선할 수 있다. 다중경로 페이딩에 대한 대책의 하나로 공간 다이버시티보다는 효과가 작다.

• 시간 다이버시티

수신국 혹은 송신국이 이동한다는 것을 전제로 한 방식으로 그 특성은 공간 다이버시티에 대응한다. 이동국의 경우에 이동 중에 수신레벨이 시시각각으로 변화하므로 시간 간격을 다르게 하여 수신하면 수신레벨의 상관계수가 낮아진다. 상관관계가 충분히 낮은 시간간격으로 재전송하여 수신레벨이 높은 쪽을 선택하는 방식으로 전송용량을 희생하는 대신에 신뢰도를 높일 수 있다.

• 경로 다이버시티

전파 경로가 다르면, 수신 전계의 페이딩 상태가 달라지는 것을 이용한 방법으로 2개 이상의 루트를 설정하여, 각 루트의 수신 출력을 합성 또는 바꾸는 것에 의해 그 영향을 경감시킨다.

• 사이트 다이버시티

수신 안테나의 설치 장소가 다르면 수신 전계의 페이딩이나 강우감쇠의 발생 시간, 크기, 빈도 등이 달라지는 것을 이용한 방법이다. 2개 이상의 수신소 또는 송신소의 장소를 달리하여 설치하고, 각 전파로의 수신 출력을 합성 또는 절체하여 그 영향을 경감시키는 것으로 위성통신 지구국이 대표적이다. 시간, 편파, 각도 다이버시티는 2개 이상의 안테나를 설치하여야 하고, 시간, 주파수 다이버시티는 1개의 안테나로 가능하지만 복수의 시간 또는 주파수를 사용하기 때문에 그 효과는 주파수 이용률을 고려하여 평가할 필요가 있다.

합성수신법

다이버시티 지점으로부터 서로 상관 없이 페이딩의 영향을 받은 신호를 합성하기위한 방법으로 실현이 용이하고 효과가 크도록 여러 가지 방식이 있다.

• 선택 합성법 : 어느 주어진 시간에 서로 다른 지점에서 수신된 모든 신호를 비교하여 가장 좋은 신호를 선택하는 방법이다.
• 등이득합성법 : 각각의 지점 신호를 모두 합하기 위해 위상이 고정된 합성회로를 사용한다.
• 최대비합성법 : 여러 개의 지점으로부터 입력된 신호를 최적의 성능을 얻기 위해서 중첩하고, 합성 전에 동기를 취하는 방법이다.
• 안테나 절환 : 상태가 좋은 안테나로 절환하여 수신하는 방법이다.

위치 등록

셀룰러 시스템에서 중요한 역할을 하는 장치 중 하나로, 주기적으로 자기의 존재를 알리는 신호를 송출해 수신한 기지국은 신호를 자기의 이동 교환국으로 보낸다. 이동 교화국은 해당 이동 단말기가 자신이 관할하는 범위 내에 있다는 정보를 위치 등록기에 보낸다. 위치 등록기는 해당 가입자의 정보에 이동 교환국의 정보를 기록해 두고 다른 가입자가 호출하게 되면 다른 가입자가 속한 지역의 이동교환기가 위치 등록기에 기록된 가입자의 위치를 조회해 호출하고자 하는 가입자가 속한 이동 교환국의 모든 기지국에서 호출하는 신호를 보낸다. 이에 가입자가 응답하면 수신한 기지국을 통해 통신이 시작된다. 만약 호출하려는 순간에 이동 단말기의 위치를 모른다면 호출하는 신호를 보냈을때 해당 셀룰러 시스템내의 모든 기지국이 호출 신호를 송출해야 할 것이다.

전력 제어

전력 제어에는 기지국으로부터 이동 단말기로 송출하는 신호의 전력을 제어하는 순방향 전력 제어와 반대로 이동 단말기로부터 기지국으로의 송출을 제어하는 역방향 전력 제어가 있다. 순방향 전력 제어는 상대적으로 간단하다. 기지국은 이동 단말기가 보고하는 정보에 따라 해당 단말기로 송출하는 신호의 전력을 제어하게 된다. 역방향 링크에서는 다른 이동 단말기의 신호는 백색잡음(white noise)과 같이 작용한다. 그런데 이 잡음 전력이 너무 크면 통신이 어려워지므로 되도록이면 필요한 최소한의 전력으로 신호를 송출하는 것이 좋다. 역방향 전력 제어의 원칙은 이동 단말기의 셀 내 위치에 상관이 없이 기지국에 도달하는 신호 전력이 동일해야 한다는 것이다. 즉, 기지국에 가까우면 송신 전력을 낮게 설정하고 기지국에서 멀어질수록 전력을 키워야 한다.

세대별 이동통신

1세대 이동통신

1세대 이동통신 방식은 아날로그 통신이었다. 음성을 그대로 전송하는 방식이기 때문에 전송하는 데이터양이 컸을 뿐 더러 전송속도의 한계도 있었다. 게다가 사용자가 많이 몰릴 경우 주파수가 부족해 아예 통화가 되지 않는 경우도 발생하는 등 문제점이 많았다. 1세대 이동통신은 국내에는 1988년부터 1996년까지 도입되었다.

2세대 이동통신

2세대 이동통신 방식은 기존 아날로그 방식인 1세대 이동통신의 단점을 개선해 음성을 디지털 신호로 변환해 전송하는 디지털통신이다. 통신 방식이 디지털로 전환됨에 따라 1세대 이동통신 방식보다 적은 데이터 용량으로 훨씬 더 깨끗한 품질로 통화할 수 있게 되었다. 2세대 이동통신 규격은 GSM(Global System for Mobile communications)과 CDMA(code division multiple access)으로 나뉜다. 전세계적으로 GSM을 더 많이 사용했는데, 국내는 모두 CDMA방식을 채택했다.

3세대 이동통신

3G 이동통신 규격은 2002년 12월부터 상용화되었다. 유럽식 GSM은 WCDMA로, 미국식 CDMA는 CDMA 2000으로 각각 나뉘어 발전되어 3세대 이동통신규격의 전송속도는 144K~2.4Mbps로 실시간으로 동영상, 사진 등을 전송할 수 있을 만큼 속도가 향상되었다. 전세계적으로 보면 WCDMA 방식이 70%이상 차지하고 있다.

4세대 이동통신

2008년 국제 전기통신 연합(International Telecommunication Union, ITU)에서 4세대 이동통신 규격을 정의하면서, 저속 이동 시 1Gbps, 고속 이동 시 100Mbps의 속도로 데이터를 전송할 수 있어야 한다고 규정했다.

5세대 이동통신

5세대 이동통신은 2018년부터 채용되는 무선 네트워크 기술이다. 2017년 12월의 3GPP 릴리스 15가 5세대 이동통신의 가장 일반적인 정의이다. 최대 20Gpbs 및 일상적으로 100Mbps 속도가 가능한 고속성과 기존보다 1만 배 이상 더 많은 트래픽을 수용하는 대용량, 1ms 이하의 낮은 지연시간, 배터리 하나로 10년간 구동 가능한 고에너지 효율 등의 특징이 있다. 국내에서 2018년 12월 1일부로 상용화를 위한 5세대 무선 이동통신을 세계 최초로 개통했다.

6세대 이동통신

2030년쯤 실현될 것으로 예측되는 6G는 초당 100기가비트 이상의 전송속도를 구현할 것으로 예상된다. 5G 이동통신 최대 속도 20Gbps보다 5배 빠르다. 2019년 1월 28일, KAIST와 LG전자가 6세대 이동통신 연구센터를 공동설립했다. 초대 센터장은 KAIST 조동호 교수가 임명되었다. 한국전자통신연구원(ETRI)은 테라헤르츠(THz) 대역 주파수를 이용한 초고속 무선 백홀 시스템 개발에 착수했다. THz 주파수는 100GHz~10THz 사이 대역으로 ETRI는 200GHz 대역에서 통신 가능한 기술을 개발한다. THz 주파수로 100Gbps 무선 통신 기술을 개발하는 건 국내 최초다. 6세대 이동통신의 이론적 다운속도는 초당 1TB에 달하며 이를 통해 만물인터넷(IoE) 시대를 실현할 수 있게 될 것이다.

참고자료

• 〈이동통신〉, 《네이버 지식백과》
• 카스피, 〈이동통신 세대별 특징〉, 2019-04-20
• 〈이동 통신의 역사, 1G부터 5G까지!〉, 《LG이노텍 뉴스룸》, 2019-10-10
• 〈이동통신〉, 《네이버 지식백과》
• 〈셀룰라 란? 〉, 《RFDH》
• 양고, 〈다이버시티(diversity) 기법〉, 《티스토리》, 2016-05-25
• 권명관,〈새로운 이동통신 규격 - LTE (Long Term Evolution)〉, 《아이티 동아》, 2011-07-01
• 〈5세대 이동통신〉, 《IT위키》
• 〈5세대 이동 통신〉, 《위키백과》
• 〈6세대 이동 통신〉, 《위키백과》

같이 보기

• 통신
• 무선통신

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